JP2017002823A - 回転機械 - Google Patents

Abstract

【課題】回転軸の径方向において、軸受の外側のスペースを確保できる回転機械を提供する。【解決手段】回転機械１は、ハウジング２の端壁４に対して支持された回転軸１２を備える。回転機械１は、回転軸１２に取り付けられて、ハウジング２に対して回転軸１２を回転可能に支持する軸受２０と、ハウジング２の端壁４に設けられて、回転軸１２の軸方向Ｄ１に延在する円筒状の保持部３３と、保持部３３に固定されるとともに、軸受２０を包囲する円筒状の軸受スリーブ２２と、を備える。軸受スリーブ２２は、軸受２０を包囲する包囲部２２ａと、包囲部２２ａから端壁４側に突出する突出部２２ｂとを含む。突出部２２ｂと保持部３３とは、回転軸１２の径方向Ｄ２に重なっており、突出部２２ｂと保持部３３とが嵌め合わされることにより、軸受スリーブ２２は端壁４に固定されている。【選択図】図２

Description

本発明は、回転軸が軸受によって支持された回転機械に関する。

このような技術として、特許文献１に記載されるように、コンプレッサホイールが回転軸に取り付けられ、モータによって、回転軸に固定されたモータ回転子を回転させる電動過給機が知られている。この電動過給機では、回転軸を取り囲むリング部と、リング部の内側に設けられるダンパと転がり軸受とが設けられている。リング部は、ケーシングの内部に取り付けられている。ダンパは、転がり軸受の外周面に設けられたＯリング等のシールを有しており、このシールの外周面が、リング部の内周面に接触している。リング部は、ダンパを回転軸の径方向で支持する。

特開２０１２−１０２７００号公報

上記した従来の構造では、転がり軸受の外周側にダンパが設けられ、ダンパの更に外周側にリング部が設けられる。このように、回転軸の径方向において、軸受の外側に複数の部材が配置されるため、径方向外側のスペースを確保することは難しい。

また、たとえば図４に示されるような構造が考えられる。図４に示される軸受構造１００では、玉軸受１２０の内輪１２０ａは、回転軸１２の基端部１２ｂに圧入されている。玉軸受１２０の外輪１２０ｂは、通常、ＳＵＪなどの鋼である。一方、ハウジングの軸方向の一端には軸受フランジ１０４が設けられ、軸受フランジ１０４には、内方に突出する円筒部１０５が設けられる。軸受フランジ１０４および円筒部１０５は、軽量化のため、たとえばアルミニウム製とされる。玉軸受１２０の外輪１２０ｂの硬さと円筒部１０５の硬さに差がある場合、円筒部１０５に対して外輪１２０ｂをすきま嵌めにすると、円筒部１０５が摩耗しやすい。そこで、外輪１２０ｂと同程度の硬さの軸受スリーブ１２２が円筒部１０５に嵌められ、この円筒部１０５の内周側に対して、外輪１２０ｂがすきま嵌めとされる。

図４の軸受構造１００では、円筒部１０５は、軸受スリーブ１２２および玉軸受１２０を包囲している。したがって、玉軸受１２０の外側では、軸受スリーブ１２２の厚みと円筒部１０５の厚みとを合わせた分だけ、径方向のスペースが占有される。円筒部１０５の外周側には、たとえばモータステータが配置され得るが、そこには限られたスペースしか存在しない。そのため、レイアウト上、不利になる。本発明は、回転軸の径方向において、軸受の外側のスペースを確保できる回転機械を提供することを目的とする。

本発明の一態様に係る回転機械は、ハウジングの端壁に対して支持された回転軸を備える回転機械であって、回転軸に取り付けられて、ハウジングに対して回転軸を回転可能に支持する軸受と、ハウジングの端壁に設けられて、回転軸の軸方向に延在する円筒状の保持部と、保持部に固定されるとともに、軸受を包囲する円筒状の軸受スリーブと、を備え、軸受スリーブは、軸受を包囲する包囲部と、包囲部から端壁側に突出する突出部とを含み、突出部と保持部とは回転軸の径方向に重なっており、突出部と保持部とが嵌め合わされることにより、軸受スリーブは端壁に固定されている。

この回転機械によれば、軸受スリーブは、ハウジングの端壁側に突出する突出部を含んでおり、その突出部が保持部に嵌め合わされることにより、軸受スリーブが固定される。このように、軸受を包囲する包囲部とは別に、端壁側に突出する突出部が設けられており、この突出部が保持部に嵌め合わされる。よって、軸受の径方向の外側において軸受スリーブと保持部とが重なることがないため、軸受の外側のスペースが確保される。

いくつかの態様において、軸受スリーブの線膨張係数は、保持部の線膨張係数とは異なっており、突出部および保持部のうち線膨張係数が大きい方が、径方向の内側に配置される。この構成によれば、回転機械の運転時、内部の温度上昇により突出部および保持部が熱膨張しても、線膨張係数が大きい方が径方向の内側に配置されているため、突出部と保持部との嵌め合いにおける締めしろが大きくなる。よって、軸受スリーブの抜けが防止される。

いくつかの態様において、軸受スリーブの硬さは、軸受の外周部の硬さと同程度である。この構成によれば、軸受が接触する軸受スリーブの内周面の摩耗量を小さくすることができる。

本発明のいくつかの態様によれば、回転軸の径方向において、軸受の外側のスペースを確保できる。

本発明の第１実施形態に係る回転機械の断面図である。 図１中のＡ部を拡大して示す断面図である。 本発明の第２実施形態に係る回転機械の軸受部を拡大して示す断面図であり、図２に対応する図である。 比較例に係る回転機械の軸受部を拡大して示す断面図である。

以下、本発明の実施形態について、図面を参照しながら説明する。なお、図面の説明において同一要素には同一符号を付し、重複する説明は省略する。

図１を参照して、第１実施形態の電動過給機（回転機械）１について説明する。図１に示されるように、電動過給機１は、たとえば車両や船舶の内燃機関に適用されるものである。電動過給機１は、コンプレッサ７を備えている。電動過給機１は、ロータ部１３およびステータ部１４の相互作用によってコンプレッサインペラ８を回転させ、空気等の流体を圧縮し、圧縮空気を発生させる。

電動過給機１は、ハウジング２内で回転可能に支持された回転軸１２と、回転軸１２の先端部（一端部）１２ａに固定されたコンプレッサインペラ８とを備える。ハウジング２は、ロータ部１３およびステータ部１４を収納するモータハウジング３と、モータハウジング３の他端側（図示右側）の開口を閉鎖する端壁４とを備える。モータハウジング３の一端側（図示左側）には、コンプレッサインペラ８を収納するコンプレッサハウジング６が設けられている。コンプレッサハウジング６は、吸入口９と、スクロール部１０と、吐出口１１とを含んでいる。

コンプレッサインペラ８は、たとえば樹脂製または炭素繊維強化樹脂（以下、「ＣＦＲＰ」という。ＣＦＲＰ：Carbon Fiber Reinforced Plastic）製であり、これによって軽量化が図られている。

ロータ部１３は、回転軸１２の軸方向Ｄ１の中央部に固定されており、回転軸１２に取り付けられた１または複数の永久磁石（図示せず）を含む。ステータ部１４は、ロータ部１３を包囲するようにしてモータハウジング３の内面に固定されており、導線１４ａが巻回されてなるコイル部（図示せず）を含む。導線１４ａを通じてステータ部１４のコイル部に交流電流が流されると、ロータ部１３およびステータ部１４の相互作用によって、回転軸１２とコンプレッサインペラ８とが一体になって回転する。コンプレッサインペラ８が回転すると、コンプレッサインペラ８は、吸入口９を通じて外部の空気を吸入し、スクロール部１０を通じて空気を圧縮し、吐出口１１から吐出する。吐出口１１から吐出された圧縮空気は、前述の内燃機関に供給される。

電動過給機１は、回転軸１２に圧入されて、ハウジング２に対して回転軸１２を回転可能に支持する２個の玉軸受（軸受）２０を備える。玉軸受２０は、回転軸１２の先端部１２ａ付近と基端部１２ｂ付近とにそれぞれ設けられており、回転軸１２を両持ちで支持している。玉軸受２０は、たとえば、グリース潤滑式のラジアル玉軸受である。より詳細には、玉軸受２０は、深溝玉軸受であってもよく、アンギュラ玉軸受であってもよい。図２に示されるように、玉軸受２０は、回転軸１２に圧入された内輪２０ａと、複数の玉２０ｃを介して内輪２０ａに対して相対回転可能な外輪２０ｂとを含んでいる。

一方の玉軸受２０は、コンプレッサインペラ８の背面側（図示右側）に取り付けられている。一方の玉軸受２０の外周側には、円筒状の軸受スリーブ２１が取り付けられている。図１に示されるように、玉軸受２０が、回転軸１２の先端部１２ａに設けられた軸端ナット１６によって、回転軸１２に固定されている。軸受スリーブ２１は、モータハウジング３の軸方向Ｄ１の一端側に形成された軸受包囲部２３内に圧入されている。

他方の玉軸受２０は、回転軸１２と端壁４との間に取り付けられている。端壁４は、いわば軸受フランジである。他方の玉軸受２０の外周側には、円筒状の軸受スリーブ２２が取り付けられている。軸受スリーブ２２は、端壁４の中央でモータハウジング３内に突出するように形成された円筒状の保持部３３（図２参照）に固定されている。他方の玉軸受２０と端壁４との間には、円環状のスプリング受け２６が設けられている。スプリング受け２６は、端壁４中央の保持部３３内に配置されたスプリング２７によって、軸方向Ｄ１の一方に向けて付勢されている。他方の玉軸受２０の軸方向Ｄ１の一方側（図示左側）には、円形のつば状のスペーサ３０（図２参照）が設けられている。

回転軸１２と、回転軸１２に固定されたコンプレッサインペラ８、ロータ部１３、玉軸受２０、スペーサ３０およびスプリング受け２６とは、ハウジング２内で一体となって回転部を構成しており、上記の軸方向Ｄ１の一方に付勢されている。軸受包囲部２３の円環状の部分が玉軸受２０の一端側に対向しており、これにより、軸方向Ｄ１における回転部の位置決めがなされている。

電動過給機１において、モータハウジング３は、たとえばアルミニウム製である。これに対し、玉軸受２０の内輪２０ａおよび外輪２０ｂは鉄製（たとえばＳＵＪ）である。そのため、玉軸受２０とモータハウジング３との間に、炭素鋼などの鉄製（たとえばＳ４５Ｃ）であって、玉軸受２０と同程度の硬さを有する軸受スリーブ２１，２２が設けられている。軸受スリーブ２１，２２は、玉軸受２０を外周側から包囲している。これにより、比較的柔らかい材料からなるモータハウジング３に対して、摩耗からの保護が図られている。なお、玉軸受２０の内輪２０ａおよび外輪２０ｂや、軸受スリーブ２１，２２の硬さは、硬さを表すあらゆる指標で測定され得る。硬さの指標の一例としては、ロックウェル硬さ（ＨＲＣ）やビッカース硬さ（Ｈｖ）等が挙げられる。

続いて、図２を参照して、回転軸１２の基端部１２ｂにおける軸受構造について説明する。図２に示されるように、電動過給機１の軸受構造５０は、ハウジング２の軸方向Ｄ１の端壁４に対して回転軸１２を支持している。軸受構造５０は、基端部１２ｂ側の玉軸受２０と、玉軸受２０の外輪２０ｂを保持する円筒状の軸受スリーブ２２と、端壁４に設けられて軸受スリーブ２２を保持する保持部３３とを備えている。

軸受スリーブ２２は、玉軸受２０を包囲する円筒状の包囲部２２ａと、包囲部２２ａから端壁４側に突出する円筒状の突出部２２ｂとを含んでいる。包囲部２２ａと突出部２２ｂとは滑らかに連続しており、一体になって円筒状をなしている。玉軸受２０の外輪２０ｂは、包囲部２２ａの内部にすきま嵌めされている。包囲部２２ａの内周面２２ｃは、玉軸受２０の外輪２０ｂの外周面２０ｄに当接している。なお、包囲部２２ａは、玉軸受２０よりも軸方向Ｄ１の一方に突出している。包囲部２２ａの突出した部分の内部に、スペーサ３０が配置されている。

円筒状の保持部３３は、回転軸１２の回転軸線Ｈを中心に形成されており、回転軸１２の軸方向Ｄ１に突出している。言い換えれば、保持部３３は、玉軸受２０に向けて突出している。保持部３３の外周面３３ａは、軸方向Ｄ１に延在している。保持部３３内には、上記のスプリング２７が収容されている。保持部３３と玉軸受２０との間には、上記のスプリング受け２６が配置されている。

保持部３３の外周側には、回転軸線Ｈを中心とする環状の溝部３５が設けられている。突出部２２ｂの端部は、溝部３５内に配置されている。突出部２２ｂと、端壁４に設けられた保持部３３とは、回転軸１２の径方向Ｄ２で重なっている。すなわち、突出部２２ｂが径方向Ｄ２の外側に配置され、保持部３３が径方向Ｄ２の内側に配置されている。軸受スリーブ２２は、突出部２２ｂと保持部３３とが嵌め合わされることにより、端壁４に固定されている。突出部２２ｂの内周面２２ｄは、保持部３３の外周面３３ａに圧着している。軸受スリーブ２２は、たとえば焼き嵌め（収縮嵌め）によって、保持部３３に圧入・固定される。保持部３３は、軸受スリーブ２２の保持に必要とされる厚み・強度を有している。

電動過給機１では、回転軸１２が回転する運転時、モータの発熱や軸受部の回転摩擦等により内部の温度が上昇する。軸受スリーブ２２の線膨張係数は、保持部３３（端壁４）の線膨張係数とは異なっている。より具体的には、軸受スリーブ２２の線膨張係数は、保持部３３の線膨張係数よりも小さい。線膨張係数の大きい方である保持部３３が、径方向Ｄ２において突出部２２ｂの内側に配置されている。このように、突出部２２ｂと保持部３３とは、これらの温度変化によって径方向Ｄ２における締めしろが大きくなるような配置関係（内側と外側の関係）で配置されている。

上記のように、線膨張係数が大きい方が径方向Ｄ２の内側に配置されているため、電動過給機１の運転時、内部の温度上昇により突出部２２ｂおよび保持部３３が熱膨張しても、突出部２２ｂと保持部３３との熱膨張の差によって、嵌め合いにおける締めしろが大きくなる。これにより、軸受スリーブ２２の抜けが防止されている。

さらに、上述のとおり、軸受スリーブ２２の硬さは、玉軸受２０の外輪２０ｂの硬さと同程度であるため、たとえば振動等によって包囲部２２ａの内周面２２ｃが外輪２０ｂに接触し、内周面２２ｃに摩耗が生じる場合であっても、当該内周面２２ｃの摩耗量は小さくなっている。

以上説明したように、軸受構造５０では、軸受スリーブ２２の一部分である包囲部２２ａが玉軸受２０を包囲しており、軸受スリーブ２２の他の部分である突出部２２ｂが、保持部３３に重なり、固定されている。よって、包囲部２２ａの外周面は、モータハウジング３の内部空間に露出している。この点は、放熱の観点から有利である。

本実施形態の電動過給機１によれば、玉軸受２０を包囲する包囲部２２ａとは別に、端壁４側に突出する突出部２２ｂが設けられており、この突出部２２ｂが保持部３３に嵌め合わされる。よって、玉軸受２０の径方向Ｄ２の外側において軸受スリーブ２２と保持部３３とが重なることがないため、例えば、図４に示す比較例の円筒部１０５を設けなくてよい分、玉軸受２０の外側のスペースＳが確保されている。その結果として、モータステータと玉軸受２０との径方向スペースを確保することができ、レイアウト上、有利になっている。よって、例えば、モータステータの外径サイズのコンパクト化が図れる。また、モータステータの大きさを変えずに，玉軸受の外径を大きくすることができる。

玉軸受２０と軸受スリーブ２２との線膨張係数の大小関係によっては、上記した軸受構造５０とは異なる態様を採用してもよい。図３を参照して、第２実施形態に係る電動過給機１の軸受構造５０Ａについて説明する。図３に示されるように、軸受構造５０Ａでは、端壁４に、回転軸線Ｈを中心とする円筒部３６が設けられており、この円筒部３６内に、上記のスプリング２７が収容されている。円筒部３６と玉軸受２０との間には、上記のスプリング受け２６が配置されている。

円筒部３６の外周側には、回転軸１２の回転軸線Ｈを中心とする円筒状の保持部３４が設けられている。保持部３４は、端壁４の一部をなしている。保持部３４の内周面３４ａは、軸方向Ｄ１に延在している。

保持部３４の内周側（回転軸線Ｈ側）には、回転軸線Ｈを中心とする環状の溝部３５が設けられている。突出部２２ｂの端部は、溝部３５内に配置されており、その端部内に、上記の円筒部３６が配置されている。突出部２２ｂと、端壁４に設けられた保持部３４とは、回転軸１２の径方向Ｄ２で重なっている。すなわち、突出部２２ｂが径方向Ｄ２の内側に配置され、保持部３４が径方向Ｄ２の外側に配置されている。軸受スリーブ２２は、突出部２２ｂと保持部３４とが嵌め合わされることにより、端壁４に固定されている。突出部２２ｂの外周面２２ｅは、保持部３４の内周面３４ａ（溝部３５の外周面）に圧着している。軸受スリーブ２２は、たとえば冷やし嵌め（収縮嵌め）によって、保持部３４に圧入・固定される。

軸受構造５０Ａでは、軸受スリーブ２２の線膨張係数は、保持部３４の線膨張係数よりも大きい。線膨張係数の大きい方である軸受スリーブ２２の突出部２２ｂが、径方向Ｄ２において保持部３４の内側に配置されている。このように、突出部２２ｂと保持部３４とは、これらの温度変化によって径方向Ｄ２における締めしろが大きくなるような配置関係（内側と外側の関係）で配置されている。

上記のように、線膨張係数が大きい方が径方向Ｄ２の内側に配置されているため、電動過給機１の運転時、内部の温度上昇により突出部２２ｂおよび保持部３４が熱膨張しても、突出部２２ｂと保持部３４との嵌め合いにおける締めしろが大きくなる。これにより、軸受スリーブ２２の抜けが防止されている。

電動過給機１Ａによっても、玉軸受２０を包囲する包囲部２２ａとは別に、端壁４側に突出する突出部２２ｂが設けられており、この突出部２２ｂが保持部３４に嵌め合わされる。よって、玉軸受２０の径方向Ｄ２の外側において軸受スリーブ２２と保持部３４とが重なることがないため、玉軸受２０の外側のスペースＳが確保されている。その結果として、モータステータと玉軸受２０との径方向スペースを確保することができ、レイアウト上、有利になっている。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は、上記の実施形態に限られない。上記実施形態では、回転機械が、回転軸１２が回転する運転時に、軸受スリーブ２２および端壁４の温度が上昇するタイプである場合について説明したが、そのような場合に限られない。回転機械が、回転軸１２が回転する運転時に、軸受スリーブ２２および端壁４の温度が降下するタイプである場合（たとえば極低温冷凍設備に用いられる回転機械である場合）には、突出部２２ｂおよび保持部のうち線膨張係数が大きい方が、径方向Ｄ２の外側に配置される。この場合、回転機械の運転時、内部の温度降下により突出部２２ｂおよび保持部が熱収縮しても、線膨張係数が大きい方が径方向の外側に配置されているため、突出部２２ｂと保持部との嵌め合いにおける締めしろが大きくなる。よって、軸受スリーブ２２の抜けが防止される。

上記実施形態では、回転軸１２の基端部１２ｂにおける軸受構造５０，５０Ａについて説明したが、本発明は、コンプレッサインペラ８が取り付けられた回転軸１２の先端部１２ａに適用することもできる。すなわち、玉軸受２０を包囲する軸受スリーブ２１に、コンプレッサインペラ８側に突出する突出部を設け、その突出部を軸受包囲部２３（端壁）の円筒部に対して嵌め合わせてもよい。

軸受は、グリース潤滑式の玉軸受に限られない。たとえば、他の潤滑方式（オイル潤滑等）を採用した玉軸受であってもよい。軸受は、ラジアル軸受に限られず、スラスト軸受であってもよい。

本発明の構造は、軸受が回転軸に圧入された、あらゆる回転機械に適用可能である。たとえば、タービンを備えモータによって回転を補助するタイプの電動過給機に本発明を適用することもできるし、電動過給機以外の一般の過給機に適用することもできる。また、コンプレッサを備える回転機械に限られず、タービンによって発電を行う発電機に本発明を適用することもできる。

１ 電動過給機（回転機械）
２ ハウジング
４ 端壁
１２ 回転軸
１３ ロータ部
１４ ステータ部
１４ａ 導線
２０ 玉軸受（軸受）
２０ａ 内輪
２０ｂ 外輪
２１ 軸受スリーブ
２２ 軸受スリーブ
２２ａ 包囲部
２２ｂ 突出部
３３ 保持部
３４ 保持部
Ｄ１ 軸方向
Ｄ２ 径方向

Claims (3)

1. ハウジングの端壁に対して支持された回転軸を備える回転機械であって、
   前記回転軸に取り付けられて、前記ハウジングに対して前記回転軸を回転可能に支持する軸受と、
   前記ハウジングの前記端壁に設けられて、前記回転軸の軸方向に延在する円筒状の保持部と、
   前記保持部に固定されるとともに、前記軸受を包囲する円筒状の軸受スリーブと、を備え、
   前記軸受スリーブは、前記軸受を包囲する包囲部と、前記包囲部から前記端壁側に突出する突出部とを含み、
   前記突出部と前記保持部とは前記回転軸の径方向に重なっており、前記突出部と前記保持部とが嵌め合わされることにより、前記軸受スリーブは前記端壁に固定されている、回転機械。
2. 前記軸受スリーブの線膨張係数は、前記保持部の線膨張係数とは異なっており、
   前記突出部および前記保持部のうち線膨張係数が大きい方が、前記径方向の内側に配置される、請求項１に記載の回転機械。
3. 前記軸受スリーブの硬さは、前記軸受の外周部の硬さと同程度である、請求項１または請求項２に記載の回転機械。

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